雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)機(jī)側(cè)換流器安全性研究

李鎧漩

摘? 要：針對雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在并網(wǎng)過程中產(chǎn)生的沖擊電流而引發(fā)的機(jī)側(cè)換流器安全性問題，在機(jī)側(cè)轉(zhuǎn)速環(huán)上，設(shè)計(jì)了一種基于二次型性能指標(biāo)學(xué)習(xí)算法的神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器。利用該控制策略來改善雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)側(cè)換流器的安全性能，建立了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)側(cè)控制器仿真模型，對雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)空載并網(wǎng)的前后過程進(jìn)行了研究，并與傳統(tǒng)PID控制策略的安全性進(jìn)行了對比。研究表明，該控制策略具有動態(tài)響應(yīng)快，并網(wǎng)沖擊電流小的特點(diǎn)，提高了并網(wǎng)系統(tǒng)的安全性。在給定期望轉(zhuǎn)速下，可以實(shí)現(xiàn)基本無超調(diào)，能夠較好的滿足并網(wǎng)要求，保證了整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī);空載并網(wǎng);機(jī)側(cè)換流器安全性;單神經(jīng)元自適應(yīng)控制

中圖分類號：TM315 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）33-0052-03

Abstract： In order to solve the safety problem of machine-side converter caused by impulse current generated by doubly-fed wind generator in the process of grid connection， a neuron adaptive PID controller based on quadratic performance index learning algorithm is designed on the speed loop of doubly-fed wind generator. The control strategy is used to improve the safety performance of the side control converter of the feed wind turbine， the simulation model of the side controller of the doubly fed wind turbine is established， and the process of no load connection of the doubly fed wind turbine is studied. The security of the control strategy is compared with that of the traditional PID control strategy. The research shows that the control strategy has the characteristics of fast dynamic response and small grid-connected impulse current， which improves the security of the grid-connected system. At the given expected speed， it can achieve no overshoot， can better meet the requirements of grid connection， and ensure the safe operation of the whole system.

Keywords： doubly-fed wind generator; no-load grid connection; safety of machine-side converter; single neuron adaptive control

近年來，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)成為國內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)。風(fēng)力發(fā)電的裝機(jī)容量與日俱增，因此，兆瓦級風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)所引起的電流沖擊已不能忽略，并網(wǎng)技術(shù)成為風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的一個(gè)重要組成部分。實(shí)現(xiàn)安全平穩(wěn)并網(wǎng)是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)需要解決的首要問題。

國內(nèi)外學(xué)者對雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)空載并網(wǎng)已有相當(dāng)?shù)难芯窟M(jìn)展。本文在機(jī)側(cè)轉(zhuǎn)速環(huán)上，設(shè)計(jì)了一種基于二次型性能指標(biāo)學(xué)習(xí)算法的單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器，并對雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)過程進(jìn)行仿真。與傳統(tǒng)的PID控制相比，該控制策略具有動態(tài)響應(yīng)快，穩(wěn)態(tài)精度高等特點(diǎn)，提高了系統(tǒng)動態(tài)性能。

1 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

雙饋感應(yīng)電機(jī)在三相靜止坐標(biāo)系A(chǔ)BC下的物理模型，是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多輸入多輸出系統(tǒng)，十分難進(jìn)行分析和分解，需要進(jìn)行解耦和降階處理。這里，定子取發(fā)電機(jī)慣例，轉(zhuǎn)子取電動機(jī)慣例，通過矢量坐標(biāo)變換的方法，得到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型。

1.1 機(jī)側(cè)控制器結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)所提的機(jī)側(cè)控制策略，計(jì)算出了耦合項(xiàng)，轉(zhuǎn)子電壓方程實(shí)現(xiàn)了解耦，則可以設(shè)計(jì)出采用雙閉環(huán)PI結(jié)構(gòu)的機(jī)側(cè)變換器控制框圖。包括轉(zhuǎn)速外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)，在轉(zhuǎn)速外環(huán)中，由電網(wǎng)對機(jī)組的無功輸出要求設(shè)置無功功率參考值，通常為0，以實(shí)現(xiàn)功率損耗最小的目的;由于電壓矢量定向之后無功功率僅和q軸定子電流有關(guān)，通過轉(zhuǎn)子電流和定子電流的關(guān)系可得到q軸轉(zhuǎn)子電流的參考值，同時(shí)保證無功功率為0。電流內(nèi)環(huán)則利用電流反饋差值，再經(jīng)PI調(diào)節(jié)、前饋補(bǔ)償?shù)鹊贸鯯VPWM模塊的參考輸入電壓實(shí)現(xiàn)變換器的驅(qū)動，以期達(dá)到控制目的。

1.2 改進(jìn)型單神經(jīng)元PID控制器設(shè)計(jì)

針對雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)控制的運(yùn)行特點(diǎn)，本文在機(jī)側(cè)轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)了一種基于二次型性能指標(biāo)學(xué)習(xí)算法的單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器。單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制是由具有自身學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力的單神經(jīng)元構(gòu)成的智能控制器，它具有結(jié)構(gòu)簡單，魯棒性強(qiáng)等多種優(yōu)點(diǎn)。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 雙饋發(fā)電機(jī)參數(shù)

雙饋發(fā)電機(jī)參數(shù)：額定功率Prate=3730W，極對數(shù)np=4，額定轉(zhuǎn)速nnom=1440r/min，定子電阻RS=1.37？贅，轉(zhuǎn)子電阻Rr=1.65？贅，定子電感LS=0.0033mH，轉(zhuǎn)子電感Lr=0.0043mH，互感Lm=0.158mH，摩擦系數(shù)Rm=0.001。背靠背變換器開關(guān)器件采用IGBT，電網(wǎng)電壓幅值為311V，電網(wǎng)頻率f=50Hz。

2.2 仿真結(jié)果

為判斷控制策略的正確性和有效性，在搭建的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)側(cè)控制器模型中，將雙饋異步發(fā)電機(jī)設(shè)置在0.25秒時(shí)刻空載并網(wǎng)，可觀測到定子電壓電流如下圖所示。

由圖1可以看出，風(fēng)力發(fā)電機(jī)在0.25秒時(shí)刻并網(wǎng)，并網(wǎng)前定子電流保持為0，在0.31秒左右就可以完成并網(wǎng)啟動，在之后進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段，產(chǎn)生穩(wěn)定的交流電。圖2為定子電壓和電網(wǎng)電壓的對比示意圖，可以看出雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在并網(wǎng)前定子電壓與電網(wǎng)電壓能保持較小誤差，在并網(wǎng)后誤差變得非常小，電壓的幅值頻率跟隨情況良好，能較好的實(shí)現(xiàn)空載并網(wǎng)啟動。

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)用階躍式風(fēng)速模擬實(shí)際風(fēng)速。隨著風(fēng)速的改變，轉(zhuǎn)速發(fā)生了變化，并且實(shí)際轉(zhuǎn)速能始終跟隨著期望轉(zhuǎn)速變化，可見控制器的性能良好。由于使用爬山法實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤（MPPT），加上采用的風(fēng)速為階躍式增長，導(dǎo)致期望轉(zhuǎn)速隨著風(fēng)速過渡時(shí)有一定的延時(shí)。風(fēng)能利用系數(shù)基本穩(wěn)定在最優(yōu)值附近（0.44），實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)最大風(fēng)能跟蹤的目標(biāo)。隨著給定風(fēng)速的變化，定子的無功功率幾乎不受影響，有功功率則隨著風(fēng)速的增大，轉(zhuǎn)速的增加而增大。定子的有功和無功功率實(shí)現(xiàn)了解耦，可以單獨(dú)控制，其中隨著風(fēng)速的變化無功功率一直穩(wěn)定在0附近，實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)為1的要求。

異步電機(jī)的A相定子電流，可以看出，隨著風(fēng)速的變化，定子電流幅值會發(fā)生改變，但頻率保持恒定，可見實(shí)現(xiàn)了變速恒頻的要求，并且電流的波形在風(fēng)速發(fā)生階躍改變時(shí)，能夠平穩(wěn)過渡，說明電流的動態(tài)性能良好。圖4為轉(zhuǎn)子A相電流，可以看出，隨著風(fēng)速的改變，轉(zhuǎn)子電流的幅值和頻率都在變化，這保證了定子電流頻率的恒定，實(shí)現(xiàn)了變速恒頻控制。

如圖5、6所示，在雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)處于并網(wǎng)啟動階段時(shí)，發(fā)電機(jī)亞同步運(yùn)行，此時(shí)定子的電壓、電流相位同相，網(wǎng)側(cè)變換器處于整流狀態(tài)，機(jī)側(cè)變換器處于逆變狀態(tài)，能量從電網(wǎng)經(jīng)過背靠背變換器流入轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行勵磁。并網(wǎng)啟動完成之后，發(fā)電機(jī)超同步運(yùn)行，定子電壓和電流相位反相，網(wǎng)側(cè)和機(jī)側(cè)變換器工作狀態(tài)互換，轉(zhuǎn)子側(cè)的能量經(jīng)過變換器饋入電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了能量的雙向流動。

從圖7中可以看出，在給定的期望轉(zhuǎn)速下，傳統(tǒng)PID控制下轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速有明顯超調(diào)，而改進(jìn)型單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制可以實(shí)現(xiàn)快速跟隨，基本無超調(diào)?？梢娪捎趥鹘y(tǒng)的PID在智能控制的自整定調(diào)節(jié)下，PID的三個(gè)參數(shù)通過自適應(yīng)調(diào)整，可以更好的應(yīng)對動態(tài)變化。

3 結(jié)論

針對雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在并網(wǎng)過程中機(jī)側(cè)換流器的安全性問題，在機(jī)側(cè)轉(zhuǎn)速環(huán)上，設(shè)計(jì)了一種基于二次型性能指標(biāo)學(xué)習(xí)算法的神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)PID控制策略機(jī)側(cè)換流器的安全性相比，改進(jìn)型單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制策略能夠使較好地抑制雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)沖擊電流，且定子電壓能快速跟蹤電網(wǎng)電壓，穩(wěn)態(tài)誤差接近于零。并且在風(fēng)速變化時(shí)，定子幅值變化，但頻率保持不變，能夠?qū)崿F(xiàn)變速恒頻控制。在給定期望轉(zhuǎn)速下，可以實(shí)現(xiàn)基本無超調(diào)。該策略改善了系統(tǒng)并網(wǎng)的安全性能，是一種十分優(yōu)良的控制策略。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉其輝，謝孟麗.雙饋式變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)的空載及負(fù)載并網(wǎng)策略[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27（10）：60-67.

[2]馮曦.雙饋發(fā)電機(jī)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID空載并網(wǎng)控制策略[D].哈爾濱理工大學(xué)，2017.

[3]雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)故障穿越的控制策略研究[D].湖南大學(xué)，2016.